《直流照明系统技术规程》技术要点解析

赵建平,高雅春，陈 琪，张 滨

(1. 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

引言

随着LED照明技术的不断发展，LED照明已广泛应用于室内外各类场所。传统LED灯具的供电方式是在末端通过驱动电源将220 V的交流电转化为LED灯具所需要的直流电，而随着直流照明供电技术的不断成熟，LED灯具希望能够直接采用直流供电，从而省去末端转化的过程。从光环境质量的角度来看，通过集中处理直流供电照明能够更好地避免灯具的频闪，从而营造更为舒适健康的光环境；从控制的角度来看，直流供电具有更好的控制灵活性，在智能化技术具有更明显的优势；从技术发展的角度来看，直流照明对于节能环保具有推动作用，因此具有广泛的应用前景。

国际电工委员会(IEC)发布低压直流供电技术报告[1]，对低压直流供电的技术、市场和标准化进行了详细的分析，并将低压直流供电作为其未来优先考虑的重点领域。相比交流供电照明系统，直流照明系统的产品、设计等方面产生了明显的差异，为引导直流照明的发展及应用，中国建筑科学研究院有限公司成立编制组在广泛调研国内外先进技术的基础上，制定了《直流照明系统技术规程》(T/CECS 705—2020)[2]。该标程规定了直流照明系统的总则、术语、基本规定、系统架构与功能、工程设计、设备要求、安装和调试、验收、运行和维护等方面，从全过程质量管理的角度，对直流照明系统实施的多个关键环节进行了规定，为我国直流照明系统应用提供指导。

1 系统架构

直流照明系统是指进行直流供配电的照明系统。直流照明系统从前端配电开始，直到末端设备均为直流，而外部电源可为直流或交流输入。这就要求照明系统的各个部分均按照直流配电的要求进行设计选型。直流照明系统一般应包括直流电源总控制柜、配电线路、灯具及附属装置，根据实际需要可配置直流电源分配电箱(柜)和监控系统，如图1所示。

对于直流电源总控制柜，一般包括输入模块、输出模块、直流转换模块、本地监控以及保护模块等(图2)，在应用中需要根据项目实际情况确定各功能模块的需求。

对于配电系统，根据负荷的规模、重要性及其分布可分为集中辐射式(图3)、分层辐射式(图4)、分布式(图5)。

图1 直流照明系统构成示意图Fig.1 Diagrammatic drawing of DC lighting system

图2 直流电源总控制柜组成示意图Fig.2 Diagrammatic drawing of DC control cabinet

2 系统设计要点

区别于传统照明系统，直流照明系统从电源输出到配电，再到末端输入均为直流电，其设计与交流电气系统存在较大差异。特别是从安全性的角度来看，IEC在低压直流供电技术报告也指出，对于直流供电系统的安全性的要求要高于交流供电系统。

图3 集中辐射式配电系统示意图Fig.3 Diagrammatic drawing of centralized power distribution system

2.1 供电电压的选择

通过线缆供电，增加电压、减少电流、加大线径是减少线损的有效措施，但随着电压的增加，安全风险也会增加。综合当考虑各种因素的影响时，往往会规定电压上限值。对于有大量人员存在的工作场所，考虑到安全和运行的要求，直流低电压类别是比较合适的。在直流照明领域建立统一的标准电压对于产品规格化和提高产品可替换性具有重要意义。

图4 分层辐射式配电系统示意图Fig.4 Diagrammatic drawing of layered power distribution system

图5 分布式配电系统示意图Fig.5 Diagrammatic drawing of distributed power distribution system

表1 不同标准给出的直流电压优选值和备选值

根据照明供配电的特点和实际需求，在《直流照明系统技术规程》中，选择48 V、220(±110)V、375 V、750(±375)V作为供电电压的优选值。直流照明系统各级别电压对于场所的适用性也各有不同，根据传输距离来看，如室内末端宜采用48 V供电、道路照明采用220 V或375 V；根据安全性来看，如水池及类似场所0区供电电压不大于24 V等。

2.2 供配电及布线系统

直流照明供配电系统的设备布置与交流供配电系统类似，直流电源总控制柜宜设置在负荷中心；配电系统结构的选择还要根据负荷的规模、重要性及其分布情况等综合确定，而从控制柜到末端灯具的配电级数建议不超过2级。值得注意的是，直流照明系统供电可进行单极性供电(如+220 V)和双极性供电(如±110 V)，在设计中可根据实际需求进行选择。

布线系统主要对线缆选择、绝缘耐压、电压降、线路布置及线缆标色等方面进行规定。当需要对照明系统同时提供交流供电电源和直流供电电源时，需要在箱(柜)或桥架内进行隔离，并做到交、直流分支回路避免同管敷设。确定线缆供电半径时，需要根据负载功率、供电距离及电压降的要求合理选择截面面积。以直流110 V供电电压为例，线路损失百分率表如下所示：

表2 DC 110 V线路电压损失百分数表

2.3 电气安全

国际标准IEC60479-1[6]规定了直流电和交流电在电击方面的差别。触摸带电体并受到电击时，机体反应过程中通过人体的电流强度和通电时间的关系具有一定的差异性。通过人体的交流电(50 Hz或60 Hz)电流超过0.5 mA时会引起人体麻木，而对于直流这个数值增加到2 mA；当交流电流达到10 mA以上时会引起严重的症状，例如呼吸困难，而对于直流电，这个数值上升到30 mA，这表明，直流供电对于人体电击方面安全性要优于交流供电。

对于直流照明系统，供配电系统的电气安全主要包括过电流保护、电击防护、热效应保护、电压骚扰和电磁骚扰防护等，其中过电流保护包括过载长延时保护、短路短延时保护以及短路瞬时保护。特别值得注意的是，相比较于交流电弧，直流电弧更难熄灭，因此直流供电线路设计需要考虑电弧故障的防护，采取相关的防护措施。

3 设备要求

《直流照明系统技术规程》对于直流电源总控制柜、直流电源分配电箱(柜)、以太网供电交换机、灯具及附属装置、电气及通信接口等分别进行了规定。本部分重点对设备中的直流转换模块、以太网供电要求以及直流驱动的相关要求进行简要介绍。

3.1 直流转换

LED灯具需要进行直流转换，将外部电源转换为LED灯具需要的直流电，该功能通常通过直流转换模块实现，也称为整流模块，一般位于直流电源总控制柜中。作为直流照明系统供电核心模块，其安全性与可靠性十分重要，特别是对于重要照明负荷。针对此类问题，标准规定的主要技术措施如下：

1)设备安全防护。对于设备输入端、输出端及控制柜箱体等均设置安全防护措施，以应对浪涌、过欠压、短路、过温、绝缘失效等风险，此外设备内部确保充足的电气间隙和爬电距离。

2)单模块故障不影响整体工作。主要要求包括单模块故障时的自主均流，以及支持热插拔功能，以便在单个模块故障时可以做到系统不间断运行。

3)设置冗余备份。原则上照明负荷重要程度越高，冗余备份量越大(见表3)。

表3 直流转换模块的冗余备份要求

除此之外，直流转换模块的输出电能质量和转换效率也是十分重要的，将分别影响照明质量和节能指标，因此标准中也做出了相应的规定。

3.2 以太网供电

以太网供电是直流照明系统的一种重要的供电形式，是通过以太网设备及路由对照明灯具进行供电的技术。现有的LED照明技术已与以太网供电技术进行了有效技术衔接，并形成了成熟的产品。以太网供电系统通常以交换机作为供电端(PSE)，其供电参数如表4所示。

表4 照明以太网供电参数

为确保交换机的安全性能，需要符合国际标准IEC 62368-3:2017[7]对于ES1能量源的相关规定，即在正常工作条件，和不导致单一故障条件的异常工作条件下，和不会导致超过ES2限值的单一故障条件下，输出满足IEC-62368-1:2018[8]表4规定，比如直流输出时，电压不超过60 V。对于普通人员，经过指导的人员，熟悉的专业人员，ES1定义为没有危害。以太网供电主要分为以下几个阶段：

1)检测。检测灯具是否存在。在把灯具连接到供电交换机时，供电交换机必须先检测其是否为以太网供电的灯具，以保证拒绝给不符合PoE 标准的灯具提供电流，因为这可能会造成损坏。该步骤主要的操作是：交换机通过检测电源输出线对之间的阻抗及电容值来判断灯具是否存在。检测阶段输出电压为2.8～10 V,电压极性与-48 V输出一致。只有检测到灯具，供电单元才会进行下一步的操作。灯具存在的特征：直流阻抗在19～26.5 kΩ之间；电容值不超过150 nF。

2)输出功率分级。供电单元确定灯具功耗。PSE通过检测电源输出电流来确定灯具功率等级。本阶段端口输出电压大小为15.5～20.5 V。电压极性与-48 V输出一致。

3)加电。开始为灯具供电。当检测到端口所接设备属于合法的灯具时，并且供电单元完成对此灯具的分类，供电单元开始对该设备进行供电，输出-48 V的电压。

4)供电。对灯具进行持续供电。

5)实时监控，电源管理。在供电过程，实时检测供电情况。

6)停止供电。如果供电单元检测灯具断开，停止供电。供电单元会通过特定的检测方法来判断灯具是否已经断开，如果灯具断开，供电单元将关闭端口输出电压。端口状态返回到检测状态。

3.3 直流驱动

直流驱动位于直流照明系统末端，是直流照明系统供电的最后一个环节，将系统直流供电转化为灯具所需要的直流电并可根据照明需求具备一定的控制调节能力。从供电角度来看，为提高传输效率，供电电压经常高于灯具所需要的电压，该驱动环节主要应对这种电压不匹配的情况，将较高电压转化为灯具所需要的低电压。从产品角度来看，在直流照明系统中，直流驱动替代传统交流供电灯具中的交流驱动。《直流照明系统技术规程》对直流驱动的输出电流质量、能效、寿命、失效率、安全防护等方面进行了规定。

4 总结与展望

《直流照明系统技术规程》(T/CECS 705—2020)除规定直流照明系统的设计要求和设备要求外，同时也对直流照明系统的安装、调试、验收以及运行维护等方面做出了规定，以实现规范直流照明系统工程实践，保证工程质量，达到技术先进、经济合理、实用可靠、维护方便的编制目的。该标准作为我国首部关于直流照明系统的综合性技术标准，将有利于指导直流照明系统的实施，对于促进行业健康发展，提高光环境质量和降低运营维护成本具有积极作用。